Điều khiển vòng đóng cho hệ vi kẹp có gắn cảm biến

Mục đích của đề tài này là thiểt kể và mô phỏng m ạch tích hợp bộ chap hành vi kẹp có gan cảm biến với các mạch điều khiển điện tử trên một chip.. Để nâng cao tính năng và hoạt động của

1 Mục lục

Trang

] Mục lục 2

2 Bảng giải thích các chữ viết tắt 3

3 Danh sách những người tham gia thực hiện đề tài (học hàm, học vị, cơ quan công tác) 3

4 Danh mục các h ìn h 3

5 Tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính của đề tài 4

6 Báo cáo tổng k ế t 5

6.1 Đặt vấn đ ề 5

6.2 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu 5

a Giới thiệu 5

b Chấp hành vi kẹp có gắn cảm biến 6

c Điều khiển tối ưu cho vi chấp hành 9

d Thiết kế chế tạo vi chấp hành có gắn bộ điều khiển 13

e Kết quả và kết luận 16

6.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài (Objectives and scientific contents) 16

6.4 Địa điểm, thời gian và phuơng pháp nghiên cử u 17

6.5 Kết quả nghiên c ứ u 18

a Các công bố liên quan đến kết quả của đề tà i 18

b Kết quả đào tạo của đề t à i 18

c Kết quả ứng dụng của đề tài 18

6.6 Thảo luận 18

6.7 Kết luận và kiến n g h ị 19

6.8 Tài liệu tham khảo 19

7 Phụ lụ c i

BảN SAO CÁC BÀI B Á O , i

BÁO CÁO TÓM TẢT KẾT QUÁ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KHCN CỬA ĐHQGHN BẰNG TIẾNG ANH ii

PHIẾU ĐẢNG KÝ KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u CÁC ĐỀ TÀI K H CN i

2

2 Bảng giải thích các chữ viết tát

hàm, học vị, CO' quan công tác)

a. Chủ trì đ ề tài: T S C h ử Đ ứ c T r ìn h

b Các cán bộ th a m gia:

• TS Nguyễn Thăng Long, K hoa ĐTVT, Trường ĐHCN, ĐHQG HN

• ThS Phan H ữu Phú, Cục Sờ hữu trí tuệ và công nghiệp V iệt Nam (Nghiên cửu sinh của bộ môn Vi cơ điện tử và vi hệ thống, Khoa ĐTVT, Trường ĐHCN, ĐHQG H N )

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý của vi kẹp có gắn cảm b iế n 6

Hình 2: Biểu diễn mặt cắt ngang cánh tay cùa vi kẹp có gán cảm biến với kí hiệu hình học và các thông sổ Biểu diễn cấu hình của cầu Wheatstone 7

Hình 3 Ảnh SEM cùa vi kẹp 7

Hình 4: Dịch chuyển miệng của vi kẹp cỏ gắn cảm biến tương ứng với điện áp tác dụng 8

Hinh 5: Sự phụ thuộc của điện áp ra của cầu Wheatstone và điện áp tác dụng 9

Hình t>: Điện áp ra của cảm biến lực tướng ứng với độ dịch chuyển của miệng vi kẹp 9

Hình Sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống điều khiển 10

Hình i Mạch điều khiển n^oài chip và toàn bộ hệ thống điều khiển 10

Hinh s Đáp ứng của hệ thống điểu khiển vòng m ở 11

Hình 10 Đáp ứng của hệ thống sử dụng điều khiển vòng đóng PID với hàm truyền H (s)p = - ^ - — — 11

' 0.00000025*2 +0.005055 + (1 + * , ) Hình 11 Đáp ứng của hệ thống sử dụng điều khiển vòng đóng PD vói hàm truyền 'i(s)p0 = 7— 12

0.00000025J2 +(0.00505 + tf D)s + (l + K p)

Hình 12 Sơ đồ khối nguyên lý cùa hệ thống điều khiển vi kẹp có gắn cảm biến 13

Hình 1; Sơ đồ nguyên lý rút gọn cùa mạch điều khiển 14

Hình K Đáp ứng quá độ của hệ th ố n g 15

Hình lí Các khối mạch ữong layout hệ thống 16

3

5 Tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính của đề tài

a M ụ c tiêu

Cìẩp hành vi kẹp có gắn cảm biến được chế tạo và giới thiệu với nhiều ưu điểm và khả nàig ứng dụng rộng [1] Tuy nhiên, hoạt động của vi chấp hành này vẫn còn dừng lại ở trạig thái điều khiển vòng mở (open-loop) Để nâng cao tính năng và hoạt động của vi chip hành, yêu cầu xây dựng hệ điều khiển vòng đóng (close-loop) kết hợp hoạt động của

v i ;hấp hành và vi cảm biên có găn bên trong Hệ thống vi chấp hành với bộ điều khiển vòig đóng cho phép nâng cao độ chính xác, rút ngắn thời gian thao tác, tăng tấn số hoạt độig của cả hệ thống

Mục đích của đề tài này là thiểt kể và mô phỏng m ạch tích hợp bộ chap hành vi kẹp

có gan cảm biến với các mạch điều khiển điện tử trên một chip Đưa ra được một quá

■-rình chuẩn chế tạo thiết bị dựa trên công nghệ chế tạo CMOS

b Các k ế t q u ả đ ạ t đ ư ợ c

- vỉột mạch điều khiển dựa trên vi điều khiển M SP430 của hãng Texas Instrument dùng

tể điều khiển hoạt động của vi kẹp có gắn cảm biến

- Các định được hàm truyền và tính chất của vi chấp hành

- Chảo sát và đưa ra được hàm điều khiển PID tối ưu cho vi chấp hành

- Tiiết kế hoàn thiện mạch nguyên lý điều khiển hệ thổng chấp hành vi kẹp có gắn cảm ìiến

- Hoàn thiện layout m ạch điều khiển dựa trên quy trình chế tạo CMOS

- (2 luận văn thạc sỹ , 01 khóa luận tốt nghiệp, 01 bài báo hội nghị quốc tế, 01 bài báo tip trí (đã gửi đăng)

c Objectives

- Tie developed sensing microgripper was presented with advantages and potential aiplications [1] H ow ever, working principle o f that sensing m icrogripper is limited b' “ open-loop control” The sensing m icrogripper operation can be improved by uing “close-loop control” based on the built-in sensor The accuracy, tim e response, aid w orking frequency o f the final device is improved

- Tie objectives o f th is project is design, simulation sensing microgripper with on-chip CMOS control circuits A CMOS and MEMS fabrication process is then proposed Ibaed on the design and simulation results

d IRsults.

- A xmtrol circuit based on Texas Instrument M SP430 m icrocontroller

- T n n sfer function and characteristics o f the sensing microgripper

- P I ) control system for sensing microgripper

- F u l design o f the sensing microgripper control circuit

- CN OS layout o f the control circuit

- 0 ;2 n aster thesises, 01 bacherlor thesis, 01 international conference paper, 01 journal piajer (submitted)

4

bộ phân tán thuổc - drug delivery, .); và nhiều các lĩnh vực khác.

Nãm 1965, Gordon M oore đã tiên đoán sự phát triển của công nghệ vi cơ điện từ với thề hiện là số lượng transistor trong một chip bán dẫn [2] Cùng khoảng thời gian đó, Richard Feynman, nhà vật lý đoạt giản Nobel, đã có nhừng nhìn nhận về sự phát triển và ứng dụng của công nghệ vi hệ thống (M icrosystem s) [3], Và gần đây, sự tiên đoán về sự phát triển cùa công nghệ vi hệ thống được đưa ra bàn luận sôi nổi và được gọi với tên gắn với công nghiệp IC là “more than M oore law” Công nghệ này phát triển dựa trên nền tảng của công nghệ IC cỏ tích hợp với các cấu trúc không điện tử và các vật liệu không điện tử với các sản phẩm mang tính hệ thống: hệ thống trong một chip (System s on a chip), hay phòng thí nghiệm trong m ột chip (Lab on a chip) [4]

Chap hành vi kẹp có gắn cảm biến được ché tạo và giới thiệu với nhiều ưu điểm và khả năng ứng dụng rộng [ l ] Tuy nhiên, hoạt động của vi chấp hành này vẫn còn dừng lại

ở trạng thái điều khiển vòng m ờ (open-loop) Để nâng cao tính năng và hoạt động của vi chấp hành, yêu cầu xây dựng hệ điều khiển vòng đóng (close-loop) kết hợp hoạt động của

vi chấp hành và vi cảm biến có gắn bên trong Hệ thống vi chấp hành với bộ điều khiển vòng đóng cho phép nâng cao độ chính xác, rút ngắn thời gian thao tác, tăng tấn số hoạt động của cả hệ thống

Mục đích của đề tài này là thiết kế và mô phỏng mạch tích hợp bộ chấp hành vi kẹp

có gản càm biến với các mạch điều khiển điện tử trên một chip Đưa ra được một quá

trình chuẩn chế tạo thiết bị dựa trên công nghệ chế tạo CMOS

Sàn phẩm của đề tài này có thể được ứng dụng trong một sổ hệ thống thao tác trong vi

robot, mổ nội soi

5

b Chấp hành vi kẹp có gắn cảm biến

Phần này giới thiệu sơ lược về vi kẹp có gắn cảm biến dựa trên actuator điện nhiệt polysilicon và một thanh cantilever cảm biến lực áp điện trở Vi kẹp có gán cảm biến

được đề xuất với chiều dài là 490 |im , chiều rộng 350 và chiều dày là 30 với điều

kiện là công suất tiêu thụ thấp và nhiệt độ hoạt động thấp Hom nữa, thiết bị này được chế tạo với công nghệ CM OS và nó có khả năng giám độ dịch chuyển của tay kẹp và kết quả

của lực tác dụng H ình 1 và 2 chi ra cấu trúc nguyên lý của vi kẹp có gắn cảm biến Hình

3 là các ảnh SEM cùa vi kẹp có gắn cảm biến

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý của vi kẹp có gắn cảm biến

6

c o n v e c t io n

& radiation i

S ilico n ca n tile v e r

a s therm al iso la tio n

Silioon

■ Silicon oxide

■ Aluminum

■ Piezoresistiwa silicon Ễl SU-8 polymer

Hình 2: Biểu diễn mặt cắt ngan^ cánh tay của vi kẹp có gán cảm biến với kí hiệu hình

học và các thông so Biếu diễn cấu hình của cầu Wheatstone

Hình 4 biểu diễn sự dịch chuyển tương ứng của miệng vi kẹp trong không khí khi có thế dc được áp dụng tới actuator điện nhiệt Kết quả dịch chuyển này là tổng dịch chuyển cùa hai miệng vi kẹp khi cả hai cánh tay hoạt động Sai số của phép đo được ước lượng là

1.5 Ịxm Độ dịch chuyển lớn nhất là 32 |im tại điện áp tác dụng 4.5 V Do vậy, những vi kẹp này có khả năng thao tác với các vật có đường kính giữa 8 và 40 Jim

Hình 5 biểu diễn sự phụ thuộc của tín hiệu đầu ra trên cầu W heatstone với điện áp tác

lụng lên vi kẹp Giá trị zero-stress của áp điện trở được đo nhiệt độ phòng là 39 kOhm

)iện áp ra lớn nhất là 49 mV tại điện áp tác dụng là 4.5 V Mối quan hệ giữa điện áp ra

'à độ địch chuyển m iệng của vi kẹp có gắn cảm biển được biểu diễn trong hình 6 Độ ihạy của vi kẹp có gắn cảm biển được nhận tại đường cong 1.5 kv/m Đường cong tuyến tnh này trong phạm vi 2 %

Hình 4: Dịch chuyển miệng cùa vi kẹp có gắn cảm biến tương ứng với điện áp tác dụng

8

Applied vollage - V

Hình 5: Sự phụ thuộc của điện áp ra của cầu Wheatstone và điện áp tác dụng

Hình 6: Điện áp ra của cảm biến lực tướng ứng với độ dịch chuyển của miệng vi kẹp

Thông tin chi tiết hơn về hoạt động của vi kẹp có gắn cảm biến được trình bày trong tài liệu tlham khảo [1]

c Đ iều khiển tôi ưu cho vi chấp hành

Vi kẹ:p có gắn cảm biến được giới thiệu trong [1] hoạt động trong chế độ vòng mở Để nâig cao tính năng của thiết bị, mạch điều khiển vòng đóng được dùng Hình 7 biểu diễn

sơ tồ khối m ạch điện của hệ thống điều khiển vòng kín Trong cấu hình này, vi kẹp có

gắECàm biến được kết nổi tới máy tính (PC) thông qua một bo mạch điều khiển Việc

điềi khiểm sẽ được thực hiện từ PC bàng phần mềm Tín hiệu lực phản hồi có được từ

cârr biến th ô n g qua m ột bộ khuếch đại sau đó được chuyển thành tín hiệu số (ADC) Dựa

9

trên giá trị so sánh giữa lực tham chiếu và lực phản hồi, actuator được điều khiển bời một

vi điều khiển thông qua mạch chuyển đồi sổ tương tự (DAC) Để đảm bảo cho việc điều khiển đù công suất, sau mạch DAC có thiết kế them một tầng khuếch đại công suất để điều khiển vi kẹp Đặc biệt trong bo mạch điều khiển có sử dụng vi điều khiển MSP430F167 Vi điều khiển này tích hợp bộ ADC, DAC 12 bit để sử lý tín hiệu phản hồi

và truyền tới PC, đồng thời nhận tín hiệu từ PC để thực hiện thao tác điều khiển vi kẹp

Hình 7: Sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thổng điều khiển

Hình 8 Mạch điều khiển ngoài chip và toàn bộ hệ thốnệ điều khiển Hình 8 chi ram ach điều khiển ngoài chip dựa trên vi điều khiển M SP430 của hãng

Texas Instalm ent và toàn bộ hệ thống điều khiển Hệ thống này được tiến hành chạy thử

và eho kết quả tốt Các thông tin chị tiết về hoạt động của hệ thống này được trình bày

trong [5]

10

step Response

Hình 9 Đáp ứng của hệ thống điều khiển vòng mở

Hình 10 Đáp ứng của hệ thống sử dụng điều khiển vòng đóng PID với hàm truyền

H {s)p = -

-0.00000025J2 + 0.00505s + (! + * , )

11

Hình 11 Đáp ứng cùa hệ thống sử dụng điều khiển vòng đóng PD với hàm

truyền H (s) p D = - -— EdĨSÌLẴl

-0.00000025s2 + (0.00505 + K D)s + ạ + K F)

Hình 10 và 11 chỉ ra đáp ứng của hệ thống khi sử dụng điều khiển vòng đóng với các

hàm tương ứng Đáp ứng thời gian của hệ thống khi sử dụng điều khiển vòng đóng nhanh

hơn nhiều lần khi so sánh với hệ m ở được chi ra trong hình 9 Các thông tin chi tiết về

khảo sát và thiết kế mạch điều khiển PID cho vi kẹp có gát cảm biến được trình bày ừong [ó, 7]

12

d Thiết kế chế tạo vi chấp hành có gắn bộ điều khiển

Hình 12 Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống điều khiển vi kẹp có gắn cảm biến

Hình 12 lá sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống điều khiển PID dùng cho vi kẹp có gắn

càin biến Thiết kế này cho phép điều khiển hệ thống trong hai chế độ tương tự cũng như

số thông qua máy tính hoặc vi điều khiển Sơ đồ nguyên lý rút gọn của mach được chi ra trong hình 13

Hình 14 chì ra kết quả mô phỏng hệ thống

Hình 15 chỉ ra các khối mạch trong layout toàn bộ hệ thống vi kẹp có gắn cảm biến cùng với hệ thống điều khiển vòng đóng Các công việc layout được thực hiện trên công

cụ LEdit với các yêu cầu nghiêm ngặt cho quá trình chế tạo lai giữa CM OS và MEMS

Các thông tin chi tiế t về khảo sát, thiết kế, layout hệ thống được trình bày trong [6, 7, 8,

9]

13

1 (MODE a 0) ~> St*nđ-«ểooe P io placement 15 ser by analog vo ltag * to CO pin

2 (MODE = 1) - > Stand-alorw PIO placement IS set by Digital port (DO, D I D7)

Hình 15 Các khổi mạch trong layout hệ thống

e Kết quả và kết luận

Đe tài đã thực hiện được các yêu cầu đặt từ ban đầu với một số kế quả như sau:

- Một mạch điều khiển dựa trên vi điều khiển M SP430 của hãng Texas Instrument dùng

để điều khiển hoạt động của vi kẹp có gắn cảm biến

- Xác định được hàm truyền vả tính chất của vi chấp hành

- Khảo sát và đưa ra được hàm điều khiển PID tối ưu cho vi chấp hành

- Thiết kế hoàn thiện mạch nguyên lý điều khiển hệ thống chấp hành vi kẹp có gắn cảm biển

- Hoàn thiện layout m ạch điều khiển dựa trên quy trình chế tạo CMOS

Các nội đung nghiên cứu được thể hiện chi tiết trong 02 luận văn thạc sỹ, 01 khóa luận tốt nghiệp, 01 bài báo hội nghị quốc tế, 01 bài báo cáo hội nghị quốc gia, 01 bài báo tạp trí Người đọc tham khảo thêm các tài liệu đã nêu về các thông tin chi tiết horn

6.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài (Objectives and

scientific contents)

M u c tiêu

Chấp lành vi kẹp có gắn cảm biến được chế tạo và giới thiệu với nhiều ưu điểm và khả năng ủng dụng rộng [1] Tuy nhiên, hoạt động của vi chấp hành này vẫn còn dừng lại ở trạng thái điều khiển vòng m ở (open-loop) Để nâng cao tính năng và hoạt động của vi chấp hình, yêu cầu xây dựng hệ điều khiển vòng đóng (close-loop) kết họp hoạt động của

vi chấp hành và vi cảm biến có gắn bên trong Hệ thống vi chấp hành với bộ điều khiển

16

vòng đóng cho phép nâng cao độ chính xác, rút ngắn thời gian thao tác, tăng tấn số hoạt động của cả hệ thống.

Mục đích của đề tài này là thiết kế và mô phỏng mạch tích hợp bộ chấp hành vi kẹp có gắn cảm biến với các mạch điều khiển điện tử trên một chip Đưa ra được m ột quá trình chuẩn chế tạo thiết bị dựa trên công nghệ chế tạo CMOS

N ội d u n g

- Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển ngoài chip cho chấp hành vi kẹp có gắn cảm biến

- Nghiên cứu đặc trưng của vi chấp hành, xác định hàm truyền của thiết bị

- Nghiên cứu hàm điều khiển tối ưu cho vi chấp hành

- Thiết kế mạch điện tử điều khiển vi chấp hành dựa trên công nghệ CM OS chuẩn

- Đưa ra bản vẽ (layout) của mạch điều khiển có kết hợp với quá trình chế tạo vi chấp hành tương thích với quá trình chế tạo CMOS

O b je c tiv e s

The developed sensing m icrogripper was presented with advantages and potential applications [1] However, w orking principle o f that sensing m icrogripper is limited by

“ open-loop control” The sensing microgripper operation can be improved by using

“ close-loop control” based on the built-in sensor The accuracy, time response, and working frequency o f the final device is improved

The objectives o f this project is design, simulation sensing microgripper with on-chip CMOS control circuits A CMOS and MEMS fabrication process is then proposed based

on the design and sim ulation results

S cie n tific c o n te n ts

- Design and fabricate an off-chip sensing microgripper control circuit

- Investigate characteristics and transfer function o f the sensing microgripper

- Optimise the transfer function o f the sensing microgripper

- Design a on-chip sensing m icrogripper control circuit based on a standard CMOS process

- Layout the control circuit with MEMS process compatible

Đ ìa đ iể m

Các nghiền cứu này được tiến hành tại bộ môn Vi cơ điện tử và Vi hệ thông, K hoa Điện

t ử ' Viễn thông, Trường Đại học CônẸ nghệ

Một số bài toán mô phỏng và thiết kế chuyên dụng được thực hiện trên một sổ máy tính của đom vị đối tác là phòng thí nghiệm ECTM , Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan

T h ò i g ia n

Nội dung của các nghiên cứu này là phần tính toán, p h ân tích nguyên tắc hoạt động, tối

ưu hệ thông Nỏ là bài toán tiêp theo của bài toán thiêt kê chê tạo đã thực hiện của đơn vị đối tác là phòng thí nghiệm ECTM , Đại học Công nghệ Delft, H à Lan

I Đ A ! H Ọ C Q U O C G IA H A N O I

000600000^9

Nội dung của các nghiên cứu này đã được bắt đầu từ trước khi ký kết đề tài này, cụ thể từ khoảng đâu năm 2008 N ó được thê hiện qua kêt quả và báo cảo kêt quả của đê tài này Các nội dung phát triển của đê tài này như tối ưu về mặt cơ học, phân bổ nhiệt, giải quyết các yêu câu trong thao tác sinh học đã và đang được tiêp tục nghiên cửu Nhóm tác giả hy vọng sẽ có nhiêu kêt quả hệ thông hơn cho hướng nghiên cứu này trong thời gian tới.

P h ư ơ n g p h á p n g h iê n cứ u

Phương pháp nghiên cứu ờ đây là đi từ hiện tượng vật lý, chế tạo và khảo sát thực hệ thổng, tìm nguyên tắc hoạt động một cách chi tiết trên cơ sở phân tích toán học, mô phỏng dựa trên các hoạt động cụ thể của hệ thống

Với phương pháp kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết, hệ thống thực nên phương pháp nghiên cứu này đòi hỏi m ột thời gian triển khai khá dài Tuy nhiên, hệ thống có được mang tính thực nghiệm kêt hợp với các giải thích lý thuyêt rât rõ rang và phản biện

6.5 Kết quả nghiên cứu

a Các công bổ liên quan đến kết quả của đề tài

1 p Phan Huu, V.Q Nguyen, T Chu Due, P.M Sarro, “Sensing Microgripper with PID

C o n t r o l ATC conference, Hanoi 2008

2 p Phan Hull, T.T.H Tran, T Chu Due, “Control circuit design for sensing microgripper,” Physica B, Submited - Nanomata conf., ƯET, VNƯH

b Kết quả đào tạo của đề tài

1 Ninh Văn Trưởng, “Thiết kế và xây dựng mạch điều khiển vi kẹp có gắn cảm biển,” Khóa luận tốt nghiệp, Khoa ĐTVT, Trường ĐHCN, ĐHQGHN

2 Phan Huu Phu, “Sensing micro-gripper with PID control system ,” Master thesis, Faculty of Electronics and Telecommunications, UET, VNHT

3 Nguyễn Văn Thắng, “Xây dựng hệ giám sát, điều khiển vi kẹp,” Luận án thạc sỹ, Khoa ĐTVT, Trường ĐHCN, DHQGHN

c Kết quả ứng dụng của đề tài

Các nghiên cứu này m ang tính cơ bản, nên khả năng ứng dụng trực tiếp vào công nghiệp chưa cao Tuy nhiên, kết quả của đề tài này cỏ khả năng ứng dụng vào các lĩnh vực sau:

Vi robotics, vi lắp ráp (m icroassem ply), vi thao tác (m icrom anipulation), mổ nội soi (in- vivo su rg e ry ),

6.6 Thảo luận

Chấp hành vi kẹp có gắn cảm biến được chế tạo và giới thiệu với nhiều ưu điểm và khả năng ứng dụng rộng [1] Tuy nhiên, hoạt động của vi chấp hành này vẫn còn dừng lại ờ trạng thái điều khiển vòng m ờ (open-loop) Để nâng cao tính năng và hoạt động của vi chấp hành, yêu cầu xây dựng hệ điều khiển vòng đóng (close-loop) kết hợp hoạt động của

vi chấp hành và vi cảm biến có gắn bên ừong Hệ thống vi chấp hành với bộ điều khiển

18

vòng đóng cho phép nâng cao độ chính xác, rút ngẳn thời gian thao tác, tăng tấn số hoạt động của cả hệ thống.

Mục đích của đề tài này là thiết kể và mô phỏng mạch tích hợp bộ chấp hành vi kẹp có gắn cảm biên với các m ạch điều khiển điện tử trên một chip Đ ưa ra được một quá trình chuẩn chế tạo thiết bị dựa trên công nghệ chế tạo CMOS

Kết quả của đề tài đã đưa ra được một thiết kế hệ thống vi kẹp có điều khiển vòng đóng

K ết quà này được triển khai kiêm chứng thông qua mạch điều khiển ngoài chip và bước đầư mỏ phỏng kết quả có được trong quá trình thiết kể CM OS

Kết quả đạt được đã đạt các yêu cầu đặt ra trong đề cương nghiên cứu, thể hiện ờ 03 bài báo (01 bài đã báo cáo và 01 bài đã gửi đăng) và 02 luận văn thạc sỹ, 01 khóa luận tốt nghiệp có liên quan

6.7 Kết luận và kiến nghị

Kết quả đạt được là khá phong phú, tuy nhiên yêu cầu nghiên cứu hoàn thiện sản phẩm

và đặc biệt ra được kết quả là hệ thống chip lai CMOS + MEMS là rất cần thiết Nhóm tác già đang có kế hoạch thực hiện đăng ký một đề tài ở cấp cao hơn để thực hiện các định hướng nêu trên

6.8 Tài liệu tham khảo

[1] T Chu Due, G.K Lau, J.F Creemer, P.M Sarro, “Electrotherm al microgripper with large jaw s displacem ent and integrated force sensors,” Proceeding 21th IEEE Conference on M EM S, Tucson, USA, Jan 13- 17, p p 5 19-522, 2008

[2] G Moore, “Electronics” , Vol 38, no 8, April 19, 1965

[3] R.p Feynman, “There is plenty o f room at the bottom ,” presented at the annualmeeting o f the A m erican Physical Society at the California Institute o f Technology,reprinted in J M icroelectrom ech.Syst., vol 1, no 1, 1992

[4] Benedetto Vigna, “M ore than Moore: micro-m achined products enable new applications and open new m arkets,” Electron Devices M eeting, 2005 IEDM Technical Digest IEEE International volume, Issue, 5-7 Dec 2005

[5] Ninh Văn Trường, “Thiết kế và xây dựng mạch điều khiển vi kẹp có gán cảm biến”, Khóa luận tốt nghiệp, K hoa ĐTVT, Trường ĐHCN, ĐHQGHN

[6] Phan Huu Phu, “ Sensing m icro-grípper with PID control system ”, M aster thesis, FET, ƯET, VNƯH

[7] P Phan Huu, V.Q N guyen, T Chu Due, P.M Sarro, “Sensing M icrogripper with PID

C o n t r o l A T C conference, Hanoi 2008

19

[8] Nguyen Vinh Quang, Chu Due Trinh, Tran Quang Vinh, “Giam sat va đieu khien tu

xa hoat đong cua vi kep xu dung vi dieu khien vat thi giac may tinh,” Hoi nghi co dien tu lan 4, VCM 2008, Danang, 2008

[9] P Phan H uu, T.T.H Tran, T Chu D ue, “Control circuit design for sensing

m icrogripper,” Physica B, Submited - N anom ata conf., ƯET, VNƯH

2 0

7 Phu luc• •

BảN SAO CÁC BÀI BÁO, .

(Các tài liệu được đóng kèm theo ở sau trang này)

4JEEE I IEEE

COMMUNICATIONS SOCIETY

i

2008 International Conference on Advanced Technologies for Communications

S E N S I N G M I C R O G R I P P E R W I T H P I D C O N T R O L

P Pharĩ Huu1, V.Q Nguyen', T Chu Due’, P.M Sarro2

'Colege of Technology, Vietnam National University, Hanoi, Vietnam 2ECTM, d im e s, Delft University of Technology, the Netherlands

ABSTRACT

This paper presents a novel sensing microgripper based

on silicon-polymer electrothermal actuators and

piezoresistive force sensing cantilever beams which can

be controlled by a PID controller to monitor the

displacement o f Ehe microgripper jaws and also the

contact force between the tips and the grabbed object.

1 INTRODUCTION

A sensing microgripper based on silicon-polymer

electrothermal actuators and piezoresistive force sensing

cantilever beams was presented in [], 2] The sensing

mierogripper is capable o f providing large jaw

displacement and output sensing voltage This device is

able to monitor the jaw displacement and the resulting

applied force The device is made on SOI silicon wafers

with a fabrication process compatible with CMOS

technology.

That presented sensing microgripper can potentially be

used in automatic manipulation systems for

microassembiy, living cell handling, minimally invasive

surgery, and microrobotics However, that sensing

microgripper is controlled by an opened-control system

hence limiting its accuracy and response time.

This paper describes the design o f a Proportional

Integral Derivative (PID) controller system for this

sensing microgripper The control system is designed for

a CMOS process that can be integrated on chip with the

microgripper for low manufacturing cost, precise

displacement at setting point, fast transient response, wide

range voltage supply, etc.

2 SENSING MICROGRIPPER

The sensing microgripper is shown at Fig 1 The

structure is based on the combination o f silicon-polymer

electrothermal microactuators and piezoresistive laterally

force sensing cantilever beams When the electrothermal

actualor is activated the microgripper arm and also the

sensing cantilever are bent This causes a difference in the

longitudinal stress on the opposite sides o f the cantilever

This changes the resistance values o f the sensing

piezoresistors on the cantilever The displacement o f the

microgripper jaws can be monitored through the output

voltage o f the Wheatstone bridge o f the piezoresistive

sensing cantilever beam The contact force between the

microgripper jaws and the clamped object is then

determined based on the displacement and stiffness of the

microgripper arm.

The microgripper is designed for normally open

operation mode Each actuator has a silicon comb finger

structure with the aluminum metal heater on top A thin

layer o f silicon nitride is employed as the electrical

isolation between the aluminum structure and the silicon substrate The gaps between the silicon comb fingers are filled with SƯ8 polymer [see Fig 1(d)] When die heater is activated, the generated heat is efficiently transferred to the surrounding polymer through the deep silicon comb finger structure that has a large interface area with the polymer iayer The polymer layers expand along the lateral direction causing bending displacement o f fee actuator Í

n n n n n n n n a :

Figure / SEM pictures o f a) the sensing microgripper and close-ups ofb) the piezoresistors located on the cantilever beam; c) the ja w s and d) a section o f the thermal actuator.

The force sensor design is based on the lateral force sensing piezoresistive cantilever beam [3, 4], The four piezoresistors are located on the cantilever beam structure and connected to create a Wheatstone bridge [see Fig 1(b)] The piezoresistors are aligned along the [110] direction in the (001) crystal plane

o f the silicon wafer The resistor pair located on the cantilever

is the stress sensing resistors When the electrothermal actuator is activated the cantilever beam is bent parallel to the wafer surface Therefore, the differential change o f resistance occurs on the two sensing resistors The resistance change of the piezoresistors depends on the displacement o f the tip o f the cantilever beam [3].

3 CONTROL SYSTEM

3.1 THE CONTROL SCHEME There are several schemes to be chosen for a control system It was start from initial idea for the microgripper that compatible with CMOS process, the control system is designed and integrated on chip with the microgripper o f great advantages to manufacturing cost, setting displacement, transient response, voltage supply range, etc A unity feedback control system is needed as presented in Fig 2 In this figure, plant is a physical system to be controlled which consists o f the driver circuit and the sensing microgripper; and controller provides the excitation for the plant which is designed to control the overall system behavior.

) e ► u Plant

Figure 2 Block diagram o f a unity feedback control

The transfer function o f a PID controlJer is given by:

K + K Ps*K,

K f, + — + KqS —

Where: Kp — proportional gain, K, - integral gain,

and K„ - derivative gain.

The variable e represents the tracking error, the

difference between the desired input value X (desired

position or status o f a physical system) and the actual

output Y This error signal e will be sent to the PID

controller, and the controller computes both the derivative

and the integral o f this error signal The signal u just past

the controller is now equal to the proportional gain Kp

times the magnitude o f the error plus the integral gain K,

times the integral o f the error plus the derivative gain K 0

times the derivative o f the error, i.e.,

u = K p £+K, ịedt+ K d —

This signal u will be sent to the plant, and the new

output Y will be obtained This new output Y will be sent

back to the sensor again to find the new error signal e

The controller takes this new error signal and computes its

derivative and integral again This process is repeated

indefinitely.

Applying this model to our case, the variable e is the

difference between the voltage setting and the feedback

voltage and is sensed by the piezoresistors [I].

m ic r o g r ip p e r

Figurt 3 Bode diagram o f the sensing microgripper The sweep inpul

voltage is applied 10 electrothermal actuator and the output o f the

piaorrjistive Wheatstone bridge is monitored The cutoff frequency is

29 Hz II, 2].

Fig 3 shows the measured voltage gain and phase

shift as a function o f frequency o f this sensing

micro gripper using the lock-in amplifier The large-signal

culoff frequency of this sensing microgripper is measured as

29 Hz {(!),, = 200 rad/s) Thus, the transfers function of the

sensing microgripper in s domain:

//,(*) = - r 1 1

— 5 + 1

CO.

0.005í + 1

3.3 THE DRIVER CIRCUIT

In order to control this microgripper a voltage source supply the actuator will be generated and controlled by the output o f the PID controller There are many ways to get a voltage source controlled and depending on what is the level

o f input supply, possibilities are buck/boost for step down/up, flyback, etc In our case, we only need a controllable active device connected in serial to pass cuncnt from power supply The controllable device may be a MOSFET or bipolar transistor, but the process to fabricate our sensing microgripper was designed to be CMOS compatible and thus a MOSFET is chosen With MOSFET devices, the output voltage to supply the actuator is controlled by the Gate voltage There are 2 kinds of MOSFETs: NMOS and PMOS

If a NMOS is used, the maximum output voltage is limited by the supply voltage minus VT (threshold voltage, about 0.7V) when the maximum gate voltage equals the supply voltage With PMOS, the output voltage can go up to the supply voltage when using a single supply The final circuit (called Driver circuit) to generate voltage for the actuator is shown at Fig 4.

VbiM

The behavior o f the driver circuit is like a RC circuit (the PMOS is a “dynamic” resistor) and the transfer function o f the drive circuit is:

« 2(J)= ] where is the resistor from the Drain flflj.Cj + l

to the Source of the PMOS.

Our actuator includes two aluminum wires to transfer electricity to heat with a total resistor of about 200Í1 On the other hand, the maximum DC voltage that can be applied to the actuator is 5V So the maximum current is 2.5 mA (the supply cun-ent is changed from 0 to the maximum value depending on what is the setting point) The driver circuit

324

requires higher current capability, but the more current

capability the more area o f the PMOS takes

Typically, RliS = 50Í2 is reasonable For the capacitor c

winch play the part of a filter, and just take a value equal

1 {J.F (in this case, the transient response time due to the

value o f the filter capacitor is ignored) Thus, we have the

transfer function for the driver circuit:

H (J) = -L - = -

! -5 0 (il).l.I0 (F )-S + 1 0.00005J +1

3.4 OPBN-LOOP CONTROL

As mentioned before, the controller takes the error

signal c and computes to give signal u that is sent to the

plant The plant is the driver circuit and the sensing

microgripper connected in serial The transfer function o f

control system is:

H(s) = H, ( s ) HJ s ) = -! -. -

! -2 0.005s + I 0.00005.Ĩ + I

_ I _

3 0.00000025 j 2 + 0.00505J + 1

I,el's first view the open-loop step response o f system

shown at Fig 5 The DC gain o f the plant transfer

function is 1/1 (at s=0), so 1 is the final value o f the

output to u unit step input Furthermore, the rise time is

about 10 ins (from 10% to 90% o f rising edge), and the

setting lime is about 25 ms.

The closed-loop transfer function o f the above system

with a proportional controller is:

f 0.000000255 + 0.00505i + (1 + Af, )

With several trial values o f proportional gain ( Kf , )

we have the step response o f the control system shown at

Fig.6 The plots show that the proportional controller

reduccd both the rise time and the steady-state error,

increase] the overshoot and decreased the settling time in

comparison with the open-loop response When K r = 1 0 ,

the rising and setting time reduces to about 2 ms and have

no overshoot; the DC gain is shifted down a bit to 10/1!.

When K r - 100, the rising time is about 1.5 ms but the

overshoot appears with output rise up to 1.17 and ringing 2 times before it approach the setting point; the setting time is

about 5 ms When K, = 500, the overshoot is up to near 1.5

and produces more ringing; the rising time decreases to less than 1 ms, but the setting time still about 5 ms In short,

increasing K r will make the rising and setting time faster but

make the overshoot bigger.

Figure 6 Step response o f ctose-loop feedback proportional controller

in comparison with open-loop.

3.5 PROPORTIONAL - DERIVATIVE CONTROL The closed-loop transfer function o f the given system with a PD controller is:

H(s) = - - K°s +

K' -0.00000025J2 + (0.00505+ * ’0 ) j + (l + A :,)

The results for K f =500 and with several values of K D are

shown at Fig 7 Let’s compare the various cases one by one with the proportional control system The derivative gain will reduce the overshoot and rising time and make the system more stable (reduce number o f ringing), but the more value of

K D the more setting time need The optimum values for this

system are K f = 500 and K D = 0.03 with rising time = 20 ns,

setting time =50 ns and there is no overshoot at all.

Tim* ( » 1 * ,0"*

Figurt 7 Step response o f close-loop feedback proportionaì-derivativt controller in comparison with only proportional.

325